多孔碳材料的制备、结构调控及储能研究

• 作 者: 夏开胜
• 机 构: 中国科学院上海硅酸盐研究所
• 出 处: 中国科学院上海硅酸盐研究所
• 发表日期: 2008年期
• 关键词: 多孔碳 超级电容器 模板法 电极材料 储氢性能

为了解决化石燃料所带来的能源供应和环境污染问题，储氢材料和超级电容器电极材料的研究受到格外的关注。本论文以硬模板工艺合成的多孔碳材料为对象，系统研究了这类材料的制备、结构调控以及储氢和超级电容性能，并深入讨论了其性能与结构之间的关系。　　
通过硬模板方法，以三种不同结构的有序介孔氧化硅为模板，成功合成了四种结构的多孔碳材料CMK-3、CMK-5、CMK-1和CS41。通过结构表征发现，除了CS41为无序结构以外，CMK-3、CMK-5和CMK-1均保持了原有模板的有序孔道结构。通过77K条件下氮气吸附测试发现，这些多孔碳样品纹理特征存在明显差异，其中比表面积最高可达1788m2/g，孔体积最高可达1.75cm3/g。通过对其低温常压储氢性能研究发现，在77K、1bar条件下，微孔占有率高的多孔碳CS41的储氢量可达1.17wt％，进一步的研究表明影响多孔碳氢吸附性能的关键因素是小于nm的微孔所占有的体积。　　
为了进一步改善所得到多孔碳材料的储氢性能，在模板法合成多孔碳的基础上，采取了CO2活化处理分别对多孔碳材料CMK-1、CMK-3和CS41进行结构调控。通过结构表征发现，CO2活化处理能显著提高材料的比表面积、孔体积(尤其是微孔)，但同时会以牺牲有序孔结构为代价；通过对其在77K条件下的储氢性能测试发现，经过结构调控，材料储氢量得到极大提高，在研究范围内，合适的活化温度为950℃，合适的活化时间为4～6h，在77K、1bar下的储氢量最高达2.27wt％。通过对所得多孔碳孔结构与储氢性能间关系的系统研究，进一步证实了1nm以下的微孔量对多孔碳氢吸附量的贡献最大。此外，利用磁悬浮天平(MSB)我们系统研究了这些多孔碳材料在室温、中压下的储氢性能。研究结果表明，活化处理可以很大程度上提高多孔碳的室温储氢性能，室温、80bar下最高吸氢量可达0.95wt％，该值为处理前样品的2.5倍，我们还发现样品的吸氢量与其比表面积和微孔体积间都存在线性相关性。　　
研究了CO2处理对有序多孔碳CMK-3和CMK-1的超级电容性能的影响。在6M KOH电解液中的电化学测试结果表明，处理后的多孔碳样品具有更加优异的电化学电容行为。通过对CMK-3在950℃下6小时的CO2活化处理得到多孔碳样品CS15A6，该电极材料具有最佳的电化学电容性能，当扫描速率为2mV/s时其比电容量达到223F/g，而且即使在50mV/s的高扫描速率下电容保持率仍达73％。我们认为，该多孔碳材料中高的比表面积(2749m2/g)、大的孔体积(2.09cm3/g)、大小均一的多级孔结构(相互连通的3～4nm的介孔、丰富的微孔)以及合适的微孔/介孔比例是获得优异超级电容性能的根本原因。